土壤污染修复中活体功能材料的应用研究进展.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生 物 加 工 过 程 :收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划();国家自然科学基金面上项目()作者简介:徐 燕(),女,安徽安庆人,本硕博拔尖生,研究方向:微生物工程活体材料;黄娇芳(联系人),副教授,博士生导师,:引文格式:徐燕,赵纯骏,娄思雨,等土壤污染修复中活体功能材料的应用研究进展生物加工过程,():,():土壤污染修复中活体功能材料的应用研究进展徐 燕,赵纯骏,娄思雨,彭孜怡,周斌辉,陈 林,黄元培,项沁媛,黄娇芳,(华东理工大学 生物工程学院 生物反应器工程国家重点实验室,上海;华东理工大学 材料科学与工程学院,上海;上海市生态环境局 执法总队,上海
2、;华东理工大学 上海生物制造产业省部共建协同创新中心,上海)摘 要:土壤污染是现今重要的环境问题之一,对生态系统和人类健康均造成了不同程度的危害。国内外研究者将各类性能优异的材料和具备修复能力的微生物结合,构建了不同的活体功能材料,对污染的土壤进行修复。活体功能材料兼具活体生物细胞和静态材料的双重特性,具备环境响应性、可自我复制、可编程化和智能化等优势,在污染修复方面有较大的发展潜力。本文着重围绕土壤污染的有机化合物和重金属污染问题,简述了土壤污染修复的物理化学方法以及常见的生物修复方法,重点综述了近年来活体功能材料在有机化合物污染和重金属污染修复方面的研究进展,总结了活体功能材料在土壤污染修
3、复中的应用,并展望了未来的研究方向和前景。关键词:活体功能材料;生物被膜;土壤修复;重金属污染;有机化合物污染中图分类号:;文章编号:(),(,;,;,;(),):,:;土壤参与众多元素循环,是生物圈生态系统中的重要组成部分。根据我国相关部门的土壤普查结果(全国土壤污染状况调查公报),我国土壤环境质量普遍存在问题。土壤污染问题如果不能及时处理,随着时间的推移以及上游产业的拓展,就可能会出现污染加剧、范围扩大等情况。土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法吸收、降解和转化土壤中的污染物,使其浓度降低到可接受水平,或者将有毒有害的污染物转化为无害物质。常用的土壤修复技术有很多,大致包括物理吸附、化学
4、催化、微生物修复及植物净化等。最初,土壤修复使用物理法和化学法居多,而现在生物法因其绿色环保、可持续的特性应用越来越广泛,其中,将生物系统与优异特性材料杂化相结合的活体功能材料更是成为当前研究的热点。活体功能材料是合成生物学和材料科学交叉领域的新兴研究方向,它综合了合成生物学和材料科学的工程原理,应用遗传将生命系统重新设计为具有可编程功能的动态响应材料。活体功能材料以活体细胞为结构单体组装材料,使活体细胞本身成为材料的工程化设计工具以及技术设想和实现途径的基本单元,将编程后的工程活细胞组装、裁剪成具有生物系统特性的新型功能材料,它能将活体细胞的自我修复能力、进化能力、重编程能力、自主排列能力、
5、对环境的响应能力、解毒能力、产生和储存能量的能力等融入功能材料。同时,利用高分子材料的互穿网络交叉来固定生物活体,保护其不易受环境侵害。活体功能材料充分结合生物系统的特性和材料的高性能,成为适应环境变化的动态材料,在土壤污染等环境修复方面有着显著的优势。因此,本文重点综述近年来活体功能材料在有机合成污染和重金属污染修复方面的研究进展及应用,并展望了未来的研究前景。土壤污染物的物理化学修复土壤修复的物理方式包括土壤淋洗技术、土壤改良剂和土壤吸附剂等,主要是改变土壤结构使其有利于处理污染物,如,使用超声波()破坏整体结构(图(),从而增强土壤中氯代有机物()的解吸,并且通过活化过硫酸盐()产生更多
6、自由基,来促进污染物的降解。通常,物理方式的操作成本较低、设计简单,但是修复的效率较低。由于化学方法使用化学制剂,易与土壤中的有机物产生氧化还原等反应以达到去除污染物的目的,导致该方法存在部分制剂不易完全回收、容易造成二次污染等缺点,难以达到绿色环保的效果。土壤污染物的生物修复生物修复是指利用生物的生命代谢活动来修土壤污染物。相对于物理化学修复而言,生物修复具有绿色环保、不易造成二次污染和生物特异性强等优点,其越来越受到关注。生物修复包括植物修复、动物修复、微生物修复和生物联合修复等方法,在此简要介绍微生物修复和生物联合修复方法。自然衰减是从环境中去除污染物最重要的生物过程。但是自然修复本身有
7、一定的局限性,它基本依托于该区域生物系统的代谢途径,当某些污染物无法参与代谢或超出代谢极限时,就会限制自然修复的能力。同时,由于生物系统中生物量的限制,修复时间会很长,因此无法达到良好的修复效果。一般来说,通过人工干预的方式,能够提高生物修复的效率,缩短修复所需时间。植物修复植物修复主要是通过合理地利用植物的生长特性来富集土壤中的污染物质,从而达到转移或转化污染物修复土壤的目的。在对土壤重金属污染的修复中,植物提取、植物挥发、植物固定和植物过滤等方式较为常见。虽然植物修复的成本低廉,应用价值较高,但修复周期较长,修复范围也有限,还存在植物的后续处理等重要问题。动物修复动物修复主要是利用生活在土
8、壤中的某些动物来进行土壤修复。如蚯蚓,在吞食土壤的同时富生 物 加 工 过 程 第 卷集污染物,同时它在土壤中的生活运动可以增加土壤的通气性能,增强重金属的活化能力,促进植物吸收代谢。但是能够用于生物修复的动物物种范围较小,这方面研究成果并不多。微生物修复土壤中生活着大量的微生物。虽然一般污染物被认为是对生物有害的,但是在微生物多样性与自然选择的共同作用下出现了具有污染物抗性的物种。它们多出现在长期污染的地区,对污染土壤的修复具有重要贡献。目前已经发现有多种微生物可以通过细胞表面的多糖、官能团等吸附重金属以及通过离子交换、氧化还原作用等对重金属污染土壤进行修复。如,等阐明了不同微生物群落对石油
9、烃生物修复的贡献。一般认为,在 的存在下,许多微生物的活性将受到抑制,因为 有致癌性,当它进入细胞后被维生素 和谷胱甘肽等物质还原,产生 和其他自由基,进而对脂肪、蛋白质和 造成损害,特别是能够与 形成难修复的配合物。但是,等发现,尽管水中的 严重抑制了硝化活性污泥的硝化性能,显著影响硝化活性污泥系统的微生物群落结构,但是其中的硝化细菌可以分泌过量蛋白来降低重金属对自身的伤害。此外,等发现,一些种类的酸杆菌和普朗氏菌可以降低环境中的 浓度。等研究发现,微生物通过两种作用机制(图)在重金属的生物修复中起着至关重要的作用。这些都说明,微生物可以耐受甚至主动降解环境中的污染物,修复土壤污染。生物联合
10、修复直接使用天然的微生物进行环境修复有很大的局限性,如,力学强度差、微生物难以分离、再生后存在质量损失等。为了克服这些缺点,研究人员利用多种技术,提升生物修复的效果。如,将微生物固定在合适的基质中,以此来提高细胞强度、刚度与金属的去除能力。等将曲霉固定在由蒙脱石和纤维素组成的多壁碳纳米管()基质中(图),可增强微生物摄取 的能力。等发现,通过假单胞菌 胞外聚合物()的吸附耦合还原作用,可以将大部分还原为。基质不仅可以作为固定微生物的框架,同时对吸附金属也有一定的协同作用。等研究发现,希瓦氏菌 可以与其他氧化还原活性金属有机框架材料()配对,以提高 吸附能力或修复其他环境污染物的能力。同时,也能
11、用作其他电活性微生物的底物或作为支持合养共生微生物群的氧化还原介质。由此可以推断,将生物与材料相结合的活体功能材料在土壤污染修复方面应该有广阔的应用前景。图 物理方式在修复中的应用 活体功能材料用于土壤修复 活体功能材料的优势杂化材料是继单组分材料、复合材料和梯度功能材料之后的第四代材料,是一种均匀的多相混合材料,有机相和无机相的微区尺寸均在纳米尺度,甚至达到分子水平量级。这种微观量级的均匀混合效应使杂化材料弥补了单一材料性能上的 第 期徐 燕等:土壤污染修复中活体功能材料的应用研究进展不足,兼具多类材料的优点,甚至产生新的性能,高效应用于结构、信息、生物及特种工程等领域。活体功能材料作为一种
12、新型杂化材料,同时含有响应功能的活细胞和支架作用的聚合物基质,它借助合成生物学理念,应用人工基因调控工具等来设计生物系统,并将定制改造的生物系统与人造材料相连接,以改造后的生命系统作为活体功能材料铸造厂,由简单的原材料经自组装作用调整为遵循预先编程的基因线路驱动并调控细胞基因动态表达,能够精确控制生产复杂的材料。活体功能材料在发挥材料原有功能的同时,还拥有自我修复以及感知和响应环境刺激的能力,它能够在环境变化时做出适当的反应以修改材料,特别是与生物活体交互连接的基质材料可发挥固定支撑和提高系统整体力学强度的作用,以增强杂化材料抵抗恶劣环境的能力。由此可见,活体功能材料既具有活细胞自适应的新特性
13、,又保留了人造材料的理想功能,兼具生命的动态特征和材料的优越性能。尤其是,它的外形可定制,可以根据需求进行 打印,还具有传统材料不具备的优势,如可自我修复、可再生和重塑、可进化性和环境响应性等。这些优势特性可通过分布式、自下而上自主组装、环境可持续的方式有目的地被构建在活体功能材料中。活体功能材料的应用 有机化合物污染修复方面的应用与发展活体功能材料在处理有机污染物方面具有明显的优势,因为它由活体细胞与特定的材料相结合,使其对有机污染物的降解效果优于各部分独立使用的效果。此时,活性功能材料以菌株的形式固定在特定材料载体或生物被膜系统上,利用生物被膜的吸附能力以及作为氧化还原介质,促进有机污染物
14、降解,相关应用主要集中在水体有机物污染的修复方面,但在土壤方面的研究和应用较少。常见的活体功能材料是将可降解污染物的微生物(如细菌、真菌等)固定在特定材料载体上,其中载体起到保护菌株、提高菌株适应性和吸附环境中的污染物等作用,而菌株对吸附的污染物进行降解。这种材料对污染物的生物降解和环境修复表现出比传统修复方法更强的适应性,在有机污染物降解 领 域 有 着 广 泛 应 用。等选 择、和 构建混合菌群,用海藻酸钠()和壳聚糖()来包埋 构建活体复合材料(),验证其对乙草胺的降解能力,结果发现:的乙草胺去除率为 ,而无菌株负载的 的降解效率仅为 (图()。等将 株具有苯降解能力的菌株固定在 纳米粒
15、子上,并用于地下水的生物修复,第 天将 种选定的菌株注入 至 反应器中,后续每 重复注射,在 内监测指标以对比菌株的生物增强作用对苯去除的影响,结果发现:与对照组()相比,生物增强的苯去除率提高约(图(),该系统可用于修复石油烃污染地下水的现场应用,同时也为苯污染的土壤进行原位生物修复提供了一种新思路。将能产生物被膜的微生物作为活体材料,与可降解污染物的菌株结合,制备活体功能材料也是重要研究方向之一。生物被膜是由微生物细胞群落及其产生的细胞外聚合物()物质构成,通常在土壤表层或内部形成沉积物,为微生物细胞提供更高的耐受性,保护微生物细胞免受污染物侵害并支持生物修复过程,具有出色的适应性、吸附和
16、固定能力,可作为生物修复污染物的材料。等利用聚乳酸和聚己内酯等合成生物聚合物,固定可降解烃类有机物的 变形菌和放线菌来制备生物被膜,结果发现:这些生物被膜在 内表现出对溢出油的完全吸附和 的降解效果。等选择黏菌()作为活体材料,通过生物被膜固定混合菌群 构建成复合材料,结果发现:该复合材料对乙草胺的最大降解率为,而自由混合菌株 在类似条件下对乙草胺的降解率为 ,表明黏菌生物被膜介导的固定化可以有效增强混合菌株 对污染物的降解能力。同时发现,以生物被膜为载体材料,结合微生物构建的活体功能材料,具有较好的降解能力、稳定性和可重复使用性,可用在有机物污染修复方面。另外,一些研究通过对材料进行一定程度
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